Получается, что к давно подмеченному нами факту своеобразия света, который ведет себя то как волны, то как частицы, добавляется новый факт: частицы ведут себя словно волны.
Как это понять, что это за волны?
Принимая во внимание сказанное несколькими строками выше, мы можем ответить: специфика микромира заключается в том, что наши квантовомеханические вероятности распределяются подобно распространению волн. Микрочастицы движутся, послушные волнам вероятности!
Это заключение подтверждается огромной совокупностью экспериментов, наблюдений. На нем же строится математическая логика сложной и тонкой квантовой теории.
Как мы теперь видим, квантовая механика — не что иное, как наука о вероятностях микропроцессов. И итоги ее дали физикам ключ к четкому пониманию многих странностей микромира. С нею мы можем наконец уяснить противоречивую сущность света. Не будет ошибкой сказать: в микромире свет есть поток частиц, фотонов, но проходящий через узкую щель по волновым вероятностным законам.
Волны вероятности — хозяева атома. Это они указывают разрешенные орбиты электронам, устанавливают «фотонное меню», командуют ионизацией. А сейчас мы расскажем о самой, пожалуй, любопытной сфере их деятельности.
ЛЫЖНИКИ-КУДЕСНИКИДавайте опять займемся спортом — на этот раз лыжным и даже горнолыжным.
Спортсмен скатывается с горы. Лыжи скользят отлично, и он птицей слетает вниз. Но впереди еще гора — более высокая. Лыжник с разгону поднимается до половины ее высоты, однако в конце движется все медленнее. Энергия разгона иссякает. Вот он остановился. Видимо, ему придется подниматься до перевала собственными усилиями?
Ничего подобного!
Он вдруг словно входит в гору, просачивается через нее насквозь и спустя мгновение тихонько съезжает вниз по ее противоположному склону!
Что это, волшебство?
Нет. Лыжная прогулка совершается в микромире, а там подобные чудеса разрешены законами природы, выводами квантовой механики.
Все дело снова в волнах вероятности.
Взамен классической вполне достоверной невозможности появляется неполная невозможность, маловероятность. Оказаться по ту сторону горы, не поднимаясь на ее вершину, для микролыжника примерно то же самое, что электрону, прошедшему сквозь узенькое окошко, оказаться на дифракционной картине где-то сбоку, в месте, недопустимом для «классической» пули.
Словом, если вы примете гражданство микромира и ваши микросограждане попросят вас перепрыгнуть через четырехэтажный дом, то вы не сможете заявить: «Я не сумею перепрыгнуть».
Вам придется сформулировать ответ так:
«Я, вероятно, не сумею...»
И с какой-то долей вероятности вы все-таки перепрыгнете — причем без больших усилий, как бы плавно перенесетесь через дом. Ради наглядности мы говорим «перенестись через дом», «просочиться сквозь гору» и т. д. На самом деле квантовая механика не занимается тем, как преодолевается непреодолимое. Устанавливается лишь самый этот факт.
Впрочем, медаль, как всегда, имеет две стороны.
Если вас попросят перескочить через детскую веревочку-скакалку, не обещайте сделать это наверняка. Неумолимая квантовая механика и здесь стоит на страже. Она заставит вас сказать:
«Возможно, я перепрыгну через веревочку, а быть может, и нет».
Точно так же микролыжник, съехав с громадной горы, иной раз не способен взлететь с разгону на маленький холмик.
А вот еще один удивительный эффект игры волн вероятности — квантовый резонанс.
В микромире порой случается, что преодолеть многоэтажный дом легче, подпрыгнув до уровня, скажем, его второго этажа, чем до уровня пятого. Микролыжник иногда с большей вероятностью просачивается через подножие горы, чем через ее верхнюю часть. Правда, такая возможность — редкость. Общая тенденция сводится к правилу: ближе к вершине проскользнуть через гору легче. Но и резонанс играет немалую роль.
Теория всех этих явлений настолько сложна и тонка, что в нашей популярной книге вряд ли стоит пытаться ее разъяснять дальше. Раз уж мы примирились с кольцами электронной дифракции, нам приходится согласиться и с другими явлениями подобного рода.
К ним относится и загадочное поведение лыжников, и удивительные этажи квантового резонанса. Утешаться можно разве тем, что даже крупнейшие физики-теоретики, приняв и признав подобные факты, обобщив их в остроумной теории, не в состоянии пока вразумительно истолковать их смысл. По господствующему мнению, в рамках обыденных представлений сущность квантовой физики объяснить вообще невозможно. Но мы все же рискнем сделать еще одно сопоставление, которое хоть и не разъяснит ничего, но, быть может, немного успокоит читателя.
В повседневной жизни мы на каждом шагу сталкиваемся с преодолением преград без их разрушения. В самом деле, слабенький звук проникает через метровые каменные стены, оставляя их совершенно неизменившимися. Вместе с тем никакой, пусть самый мощный, звуковой сигнал не способен целиком пройти через преграду. Даже тончайший лист бумаги отражает немного звуковых волн. Наконец, еще один факт, особенно знакомый завзятым театралам: иногда в театре, сидя близко к сцене, мы слышим артистов хуже, чем с более далекого места. Получается, что большая толща воздуха порой лучше «пропускает» звук, чем меньшая.
В подобных явлениях, имеющих сходство с «чудесами» наших микроспортсменов, нет ничего странного, противного законам природы. Все они находят исчерпывающее объяснение в науке о звуке — акустике, изучающей распространение упругих колебаний.
Но ведь квантовомеханические вероятности тоже послушны волновым законам! Стало быть, ничего не поделаешь. Микрообъекты послушно выполняют то, что им предписано своеобразием микромира. Движение их соответствует наложению, усилению и ослаблению волн квантовомеханических вероятностей.
«Ну ладно,—с неохотой скажет читатель. — Пусть будет так. Но зачем все-таки понадобилось говорить об этой цепочке парадоксов со снежными горами, лыжниками-чудотворцами и чудаками, прыгающими через дома? Ведь наверняка в микромире нет ни того, ни другого, ни третьего».
Ошибаетесь. Нечто подобное там существует.
СКВОЗЬ НЕПРОНИЦАЕМОЕВ положении лыжников-кудесников, окруженных высокими горами, оказываются заряженные частицы, находящиеся в атомных ядрах или приближающиеся к ним. Внутренние склоны гор — это короткодействующие ядерные силы, которые удерживают частицы рядом (лыжники скатываются к центру горного кратера). Наружные же склоны — силы электростатического отталкивания. Попав в сферу их действия, положительно заряженные частицы отбрасываются от ядра (лыжники скатываются по наружному склону прочь от центра).
Эта «горная гряда» силовых полей носит название потенциального барьера. А проникновение через него частиц с энергией, недостаточной для достижения наивысшей точки барьера, именуется подбарьерным переходом или «туннельным эффектом».
Стоит отметить, что это название хоть и образное, но неточное. Никакого туннеля при туннельном эффекте не возникает. В том-то и штука, что барьер остается неприкосновенным, словно стеклышко, пронизываемое лучом света.
Именно такой подбарьерный переход постоянно реализуется у тяжелых атомных ядер при их альфа-радиоактивном распаде.
Как это удалось доказать? Почему известно, что переход альфа-частиц именно подбарьерный, а не обычный— «надбарьерный»? Это доказал опыт.
Энергия выпущенной ядром альфа-частицы всегда «слишком мала». Если бы частица разгонялась во всей области действия отталкивающих электростатических сил ядра на наружном склоне потенциального барьера, ее энергия была бы гораздо больше, чем в действительности. Но ведь скорость микролыжника-кудесника, скатившегося через «туннель», тоже меньше, чем если бы он скатывался «честным путем» — с самой вершины горы.
Стало быть, альфа-частица удирает из ядер «жульническим», с позиций классической физики, способом. Узник уходит из тюрьмы сквозь стены, оставив их нетронутыми!
Добавим еще, что альфа-распад, как и вообще радиоактивность, несет в себе черты обычной для микромира неопределенности. «Побег» альфа-частицы из ядра сквозь потенциальный барьер совершается не в какой-то точный, заранее известный момент, а «когда угодно», в рамках определенного промежутка времени. Пояснить это можно, вспомнив соотношение Гейзенберга. Пребывание частицы в ядре соответствует ее локализации, уточнению ее местоположения. Следовательно, импульс частицы там неопределенен. Невозможно предсказать, когда он получит то или иное значение. Частица как бы беспорядочно тычется в броню ядерных сил и в конце концов находит в ней «лазейку», «туннель» (только надо помнить, что на самом деле никаких «туннелей» нет, частица просто «дожидается своей очереди» и свершает «чудо» лыжника-кудесника).
